鈦化合物性質

1、；1鈦 鈦及鈦合金具有一系列特點如它的密度小、比強度高、耐熱性能好、耐低溫的性能也好，它具有優(yōu)良的抗蝕性能，并且它的導熱性能差、無磁、彈性模量低，但是它具有很高的化學活性。A鈦原子結構和在周期表中的位置a鈦原予結構鈦的原子序數(shù)是22，原子核由22個質子和2032個中子組成。原子核半徑為5×1013cm。原子核外22個電子結構排列為1s22s22p63s23p63d24s2。原子失去電子的能力用電離能來衡量。鈦原子的電離能見表21。表21 鈦原子的電離能失去電子的次序名稱電離能/J14s1.09×101824s2.17×101833d4.40×101843

2、d7.06×101853p16.06×101863p19.51×101873p22.9×101883p27.8×1018由表21可見，鈦原于的4s電子和3d電子的電離勢較小，都小于8×1018J，因此容易失去這4個電子。3p電子的電離勢都在16.06×1018J以上，是根難失去的。所以，鈦原子的價電子是4s23d2，鈦的最高氧化態(tài)通常是正四價。鈦原子半徑和離子半徑見表22。表22 鈦原子半徑和離子半徑原子或離子TiTiTi2Ti3Ti4半徑r/nm0.1460.0950.0780.0690.064已發(fā)現(xiàn)鈦有13種同位素，其中

3、穩(wěn)定同位素5個，其余8個為不穩(wěn)定的微量同位素。鈦的同位素及其性質列于表23。表23 鈦的同位素及其性質同位素質量數(shù)豐度/%輻射特征半衰期熱中子捕獲截面/m2熱中子散射截面/m2420.001，430.007，0.58d440.001547a450.0015，3.08h467.99穩(wěn)定同位素(0.6±0.2)×1028(3.3±1.0)×1028477.32穩(wěn)定同位素(1.6±0.3)×1028(5.2±1.0)×10284873.97穩(wěn)定同位素(8.0±0.6)×1028(9.0±4.

4、0)×1028495.46穩(wěn)定同位素(1.8±0.5)×1028(2.8±1.0)×1028505.25穩(wěn)定同位素0.2×1028(3.3±1.0)×1028510.0001，5.9min520.0001，41.9min530.0001，540.003，b鈦在周期表中的位置鈦是元素周期表中第四周期的副族元素，即IVB族(又稱為鈦副族)元素。這族元素除鈦（22Ti）外，還有鋯（40Zr），鉿（72Hf）和人工合成元素104Ku。鈦、鋯、鉿原子的外層電子結構分別為：TiAr3d24s2，ZrKr4d25s2，HfXe5

5、d26s2。由此可見，鈦族元素的原子具有相似的外電子構型，即價電子都是d2s2，因而鈦、鋯和鉿的原子半徑相近，它們的許多性質也相似，彼此可以形成無限固溶體。不過，鈦、鋯、鉿及它們的化合物在性質上也有差異。例如，TiO2是兩性氧化物，而ZrO2、HfO2為堿性氧化物；TiCl4是弱酸性化合物，而ZrCl4、HfCl4則為兩性化合物。IVA族，即碳族元素的原子也和IVB族具有相似的外電子構型，不過其價電子不是d2s2，而是s2p2。鈦族與碳族是同周期元素，它們具有共性，即通常都表現(xiàn)最高氧化態(tài)為正四價。碳族元素的金屬性質隨著原子序數(shù)的增加而遞增，原子序數(shù)最小的碳（C）是非金屬元素，原子序數(shù)最大的鉛（

6、Pb）是金屬元素。但是，鈦族元素都具有金屬性質，這是與碳族元素的基本區(qū)別。 鈦與其相鄰的IIIB族（d1s2）、VB族（d3s2）元素的原子最外層電子數(shù)相同，不同的是次外層電子數(shù)。因為對元素的化學性質發(fā)生主要影響的是最外層電子，次外層電子的影響就小得多。所以，鈦與IIIB族元素（鈧、釔）和VB族元素（釩、鈮、鉭）在性質上也很相近，鈦可與這些元素形成無限固溶體。在自然界存在的鐵礦物中，經(jīng)常伴生有這些元素。B鈦的物理性質、熱力學性質和力學性質a物理性質晶體結構金屬鈦具有兩種同素異形態(tài)低溫（<882.5）穩(wěn)定態(tài)為型，密排六方晶系；高溫穩(wěn)定態(tài)為型，體心立方晶系。Ti的晶格參數(shù)，25時為：(0.2

7、9503±0.00004)nm，c(0.46832±0.00004)nm，c/1.5873±0.00004。由于Ti的c/比值小于理想球形軸比1.633，所以鈦是可鍛性金屬。Ti中存在的雜質對其晶格構造有很大影響，微量氧、氮的存在會使晶格沿c軸方向增長，引起c值得增加，而值實際上幾乎不發(fā)生變化。Ti的晶格參數(shù)，900時(0.33065±0.00001)nm。相變性質鈦的兩種同素異形態(tài)轉化(TiTi)溫度為882.5，由Ti轉化為Ti時，其體積增加為5.5。氧、氮、碳是Ti的穩(wěn)定劑，在鈦中存在氧、氮、碳雜質則會使相變(TiTi)溫度升高，從而可根據(jù)轉化溫度

8、的變化來判斷鈦中雜質含量的多少。鈦的晶型轉化潛熱為4.14kJ/mol。鈦的熔點為1668±4。由于熔融鈦幾乎可與一切耐火材料發(fā)生作用，因此測量其熔點潛熱較為閑難。已測得鈦的熔化潛熱范圍是15.4620.9kJ/mol。熔點時液鈦的表面張力為1.588N/m，1730時液鈦的動力黏度為8.9×105m2/s。鈦的沸點為3260±20，汽化潛熱為428.5470.3kJ/mol。鈦的臨界溫度約為4350，臨界壓力為113MPa。密度和線膨脹系數(shù)Ti的密度在20時為4.5064.516g/cm3。因為鈦與氧形成間隙固溶體時，其晶格發(fā)生明顯的畸變，所以當鈦中含有氧時，其

9、密度隨之增加。Ti單晶的線膨脹系數(shù)是各向異性的，在0時軸方向為7.34×106/，c軸方向為8.9×106/。由于c軸方向的線膨脹系數(shù)比軸方向大，所以六方晶胞軸比c/值隨溫度的升高而增加。在20300時Ti多晶的平均線膨脹系數(shù)為8.2×106/。900時Ti的密度為4.32g/cm3，1000時為4.30g/cm3；熔化鈦密度(在熔點溫度)為(4.11±0.08)g/cm3。蒸汽壓金屬鈦的蒸氣壓是很低的，在900時僅為3×109Pa，1000時僅為1.5×108Pa。固體Ti的蒸氣壓P(Pa)與溫度的關系式為：lgP27017T16.

10、768lgT6.11×104T34.636(1155.51933K)液相鈦的蒸氣壓P(Pa)與溫度的關系式為：lgP22328T111.251(19333575K)導熱性能鈦的導熱性較差，其導熱系數(shù)比不銹鋼略低。鈦的導熱性能與其純度有關，雜質的存在使鈦的導熱系數(shù)降低。純鈦的導熱系數(shù)與溫度的關系如圖21所爾。在050K范圍內，導熱系數(shù)隨溫度升高逐漸增加，在50K時達到最大值(36.8W/(m·K)。高于50K時，導熱系數(shù)隨溫度升高逐漸減少，約在800K時達到最小值(24.6W/(m·K)。高于800K時，導熱系數(shù)隨著溫度升高略有增加。純鈦的導熱系數(shù)(W/(m

11、3;K)可由下式計算：26.7532.8×103t8.23×105t29.7×108t34.6×1012t4(t>0)導電性能鈦的導電性能較差，近似于不銹鋼。若以銅的電導率為100，則鈦僅為3.1。鈦中雜質的存在，使其導電性能降低。鈦的導電性隨溫度的變化關系如圖22所示。Ti的電阻率隨溫度增高而增加，當達到相變（TiTi）溫度時，電阻率突降。Ti的電阻率隨溫度的升高略有增加。20時，純鈦的電阻率為0.42·m。在不同溫度下純鈦的電阻率（·m）為：0.3851.75×103t7×1013t320時，工業(yè)純鈦的電

12、阻率為0.556·m。在不同溫度下工業(yè)純鈦的電阻率（·m）為：0.512.25×103t8.6×1010t3超導性鈦具有超導性，它對于由雜質或冷加工所引入的晶格內應變是極其敏感的，屬于“硬超導體”。純鈦的超導臨界溫度為0.380.4K。NbTi合金是超導材料。磁性質金屬鈦是無磁性物質，磁化系數(shù)Ti 3.2×106（20），Ti 4.5×106（900）。光學性質溫度高于800時，Ti對入射光波長為652nm的發(fā)射率為0.459；900的Ti為0.484，1000的Ti為0.482。鈦的光學性質列于表24中。表24 鈦的光學性質光學性質

13、名稱入射波長/nm4580600650700反射率/%53.354.956.657.0557.5557.959.061.5折射指數(shù)1.882.102.3252.542.652.763.033.30吸收系數(shù)2.692.913.133.343.433.493.653.81鈦表面氧化膜對鈦的光反射能力影響很大，氧化膜的存在顯著降低對可見光的反射能力；對紫外光的反射能力影響較小。b熱力學性質比熱容Ti的比熱容隨溫度的升高而增加（圖23），當溫度趨近晶型轉化溫度（1155.5K）時，比熱容急劇升高，達到2.62J/(g·K)。超過相變溫度后，比熱容隨溫度升高而下降。298K時定壓比熱容cp為0

14、.52J/(g·K)。Ti：0.4620.215×103T (2981155K)Ti：0.4130.165×103T (11551933K)熔融鈦為0.74J/(g·K)氣體鈦：0.5532×104T1.285×109T21.74×1011T3 (2004000K)焓鈦在298K時鈦的焓為100.2J/g。Ti：0.457T1.12×104T283T145.7 (2001500K)Ti：1590.360T1.09×104T2 (11551900K)熵鈦在298K時鈦的熵為0.64J/(g·K)。

15、Ti：0.8156.8×104T112.7T1 (1601100K)Ti：0.7148.5×103T1.3×107T2 (12001900K)液相鈦：1.171.29×104T5.68×108T2 (20003000K)氣相鈦：4.94.19×105T377T1 (2005000K)c力學性質鈦具有可塑性。高純鈦的延伸率可達50%60%，斷面收縮率可達70%80%，但強度低(碘化鈦的抗拉強度2.22.9MPa)，不宜作結構材料。鈦中雜質的存在，對它的力學性能影響極大，特別是間隙雜質氧、氮、碳可大大提高鈦的強度，而顯著地降低其塑性。盡管

16、高純鈦的強度低，但鈦基材料因含有少量雜質和添加合金元素而顯著強化其力學性能，使其強度可與高強度鋼相比擬。工業(yè)純鈦的抗拉強度為265353MPa，一般鈦合金為6861176MPa，最高可達1764MPa。這就是說，鈦作為結構材料所具有的良好力學性能，是通過嚴格控制其中適當雜質含量和添加合金元素而達到的。工業(yè)純鈦含有少量間隙雜質氧、氮、碳及其他金屬雜質鐵、錳、硅、鎂等，其總含量一般為0.2%0.5%，最高不超過0.7%0.9%。含有上述少量雜質的工業(yè)純鈦既具有高強度，又有適當?shù)乃苄?。硬度，通常是用來衡量鈦質量好壞的綜合指標。硬度越大，雜質含量越高，其質量就越差。不同的雜質對鈦硬度的影響是不相同的，

17、對鈦硬度的影響最大的是氮、氧、碳，其次是鐵、鈷、硅等。同時存在幾種雜質時，它們對鈦硬度的影響可以認為基本上具有加和性。海綿鈦的硬度與其雜質含量的關系，布勞斯按統(tǒng)計劃律得出如下經(jīng)驗公式：HB196158452057各種雜質含量對增加鈦硬度（HB）的影響見圖24。C鈦的化學性質a與單質的反應在較高溫度下，鈦可與許多元素和化合物發(fā)生反應。各種元素按其與鈦發(fā)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合物和有限固溶體；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

18、元素(除鈧外)，錒、釷等不與鈦發(fā)生反應或基本上不發(fā)生反應。鹵素鈦能與所有鹵素元素發(fā)生反應，生成鹵化鈦。常溫下鈦就與氟發(fā)生反應，150反應已較激烈，反應生成TiF4Ti2F2TiF4常溫下鈦也可與氯發(fā)生反應，300350以上發(fā)生激烈反應：Ti2Cl2TiCl4在250360鈦可與溴發(fā)生反應：Ti2Br2TiBr4在170時鈦已可與碘反應，400時反應較快，生成氣體TiI4：Ti2I2TiI4隨著溫度的升高，反應加速，高于1000時生成的TiI4分解為鈦和碘，因而是個可逆反應。含水的鹵素對鈦作用要比干鹵素為小，例如飽和水的濕氯氣在低于80時不與鈦發(fā)生反應。氧鈦與氧的反應取決于鈦存在的形態(tài)和溫度。粉

19、末鈦在常溫下的空氣中，可在靜電、火花、摩擦等作用下發(fā)生劇烈的燃燒或爆炸。但是，致密鈦在常溫下的空氣中是很穩(wěn)定的。致密鈦在空氣中受熱時，便開始與氧發(fā)生反應，最初氧進入鈦表面晶格中，形成一層致密的氧化薄膜，這層表面氧化膜可防止氧向內部擴散，具有保護作用，因此鈦在500以下的空氣中是穩(wěn)定的。表25為工業(yè)純鈦在不同溫度的空氣介質中加熱半小時后的氧化膜厚度。表26為鈦在不同溫度下加熱所生成的氧化膜顏色。表25 不同溫度下鈦的氧化膜厚度溫度/320540650700760厚度/nm極薄0.0050.0080.025表26 不同溫度下鈦的氧化膜顏色溫度/2600700800900顏色銀白色淡黃色金黃色藍色紫

20、色紅灰色灰色合金元素鉬、鎢和錫能降低鈦的氧化速度，而鋯則提高其氧化速度。在空氣中鈦的氧化反應，低于100時是很慢的，500時也只是表面被氧化。隨著溫度的升高，表面氧化膜開始在鈦中溶解，氧開始向金屬內部晶格擴散，700時氧向金屬內部的擴散加速，在高溫下表面氧化膜失去保護作用。在12001300下，鈦開始與空氣中的氧發(fā)生激烈反應：TiO2TiO2在純氧中，鈦與氧發(fā)生激烈反應的起始溫度比在空氣中低，約在500600時鈦便在氧氣中燃燒。氧在鈦中含量超過溶解度極限時，便生成鈦的各種氧化物，如Ti3O，TiO，Ti2O3，Ti3O5，TiO2等。在TiO固溶體中，由于氧是以氧化物形式（如Ti3O）進入鈦的

21、晶格中，從而可使相變（TiTi）溫度顯著增加，因此，氧是Ti的穩(wěn)定劑。氧在Ti中的最大溶解度（質量分數(shù)）為14.5，1740時在Ti中的最大溶解度（質量分數(shù)）為1.8。氮和氫常溫下鈦不與氮發(fā)生反應。但在高溫下，鈦是能在氮氣中燃燒的少數(shù)金屬元素之一，鈦在氮氣中燃燒溫度約大于800。熔融鈦與氮的反應十分激烈。鈦與氮的反應，除了可生成鈦的氮化物（Ti3N、TiN等）外，還形成TiN固溶體。當溫度在500550時，鈦開始明顯地吸收氮，形成間隙固溶體；當溫度達到600以上時，鈦吸氮的速度增加。在TiN固溶體中，由于氮以氮化鈦（Ti3N）形式進入鈦晶格中，從而使鈦相變（TiTi）溫度增加，氮也是Ti的穩(wěn)定

22、劑。l050下氮在Ti中最大溶解度（質量分數(shù)）為7，2020下在Ti中最大溶解度（質量分數(shù)）為2。但鈦吸氮的速度比其吸氧的速度慢得多，因此欽在空氣中主要是吸氧，吸氮則是次要的。鈦與氫反應生成TiH固溶體和TiH、TiH2化合物。氫能很好地溶于鈦中，1mol鈦幾乎可吸收2mol的氫。鈦吸氫速度和吸氫量，與溫度和氫氣壓力有關。常溫下鈦吸氫量小于0.002。當溫度達到300時，鈦吸氫速度增加；500600時達到最大值。其后隨溫度升高，鈦吸氫量反而減少，當達到1000時鈦吸收的氫大部分被分解。氫氣壓力增加，可使鈦吸收氫的速度加快，并增加吸氫量，相反在減少壓力情況下便可使鈦脫氫。因此鈦與氫的反應是可逆的

23、。鈦與氫反應在表面上不形成薄膜，因為氫原子體積小，可很快向鈦晶格深處擴散形成間隙固溶體。氫在鈦中的溶解，可使鈦相變（TiTi）溫度降低，氫是Ti的穩(wěn)定劑。鈦表面存在氧化膜時，則顯著地降低鈦吸氫和脫氫速度。磷和硫在高于450下鈦與氣體磷發(fā)生反應，在低于800時主要生成Ti2P，高于850時生成TiP。常溫下硫不與鈦反應，高溫時熔化硫、氣體硫與鈦反應生成鈦的硫化物，熔融鈦與氣體硫之間的反應特別劇烈：TiS2TiS2鈦與硫的反應可生成各種硫化鈦，如Ti3S，Ti2S，TiS，Ti3S4，Ti2S3，Ti3S5，TiS2和TiS3等。碳和硅鈦與碳僅在高溫下才能發(fā)生反應，生成含有TiC的產(chǎn)物。鈦與碳的反

24、應除廣生成TiC外，還形成TiC固溶體，碳在鈦中的存在也可使鈦相變（TiTi）溫度升高。碳在鈦中的溶解度較小，在900時最大溶解度（質量分數(shù)）為0.48；隨著溫度的下降，溶解度急劇下降。碳在Ti中的溶解度，1750時達到最大值，為0.8。由于碳在Ti和Ti中的溶解度都很小，因此鈦中碳含量較大時，便會在組織中出現(xiàn)游離碳化鈦結構。鈦在高溫下與硅反應生成高熔點的硅化物Ti5Si3、TiSi和TiSi2。b與化合物反應HF和氟化物氟化氫氣體在加熱時與鈦發(fā)生反應生成TiF4，反應為：Ti4HFTiF42H2不含水的氟化氫液體可在鈦表面生成一層致密的四氟化鈦膜，可防止HF進入鈦的內部。氫氟酸是鈦的最強溶劑

25、。即使?jié)舛葹?的氫氟酸，也能與鈦發(fā)生激烈反應：2Ti6HF2TiF33H2當在氫氟酸溶液中存在Fe2、Ni2、Ag2、Cu2、Au2、Pt2等金屬離子時，則可加速鈦的溶解。Mg2離子不影響鈦與氫氟酸的反應。但當存在Pb2離子和加入硝酸后，可減慢和部分抑制氫氟酸對鈦的浸蝕速度。但未發(fā)現(xiàn)防止氫氟酸對鈦浸蝕的特別有效的阻化劑。無水的氟化物及其水溶液在低溫下不與鈦發(fā)生反應，僅在高溫下熔融的氟化物與鈦發(fā)生顯著反應；酸性氟化物溶液，如KHF2會嚴重地浸蝕鈦。在酸性溶液中，加入少量可溶性氟化物，則可大大增加酸對鈦的浸蝕作用，如在硝酸、高氯酸、磷酸、鹽酸、硫酸溶液中加入少量可溶性氟化物時，則這些酸對鈦的腐蝕速

26、度大為加快。但如果加入大量的氟化物到硫酸中，反而會阻止硫酸對鈦的腐蝕。氯化氫和氯化物氯化氫氣體能腐蝕金屬鈦，干燥的氯化氫在高于300時與鈦反應生成TiCl4：Ti4HClTiCl42H2濃度低于5的鹽酸在室溫下不與鈦反應，20的鹽酸在常溫下與鈦發(fā)生反應生成紫色的TiCl3：2Ti6HCl2TiCl33H2當溫度升高時，即使稀鹽酸也會腐蝕鈦，如10的鹽酸在70時和1的鹽酸在100時對鈦發(fā)生明顯的腐蝕。但當鹽酸溶液中存在氧化劑或金屬離子（如銅、鐵離子等）時，則可降低鹽酸對鈦的腐蝕作用。例如，鈦在沸騰的10鹽酸內的浸蝕速度，因加人0.020.03mol的鐵和銅離子而降低到原來的1。各種無水的氯化物，

27、如鎂、錳、鐵、鎳、銅、鋅、汞、錫、鈣、鈉、鋇和NH4的氯化物及其水溶液，都不與鈦發(fā)生反應，鈦在這些氯化物中具有很好的穩(wěn)定性。但鈦與100以上的25氯化鋁溶液發(fā)生反應。當溫度升高至200300以上時，鈦在氯化物中的穩(wěn)定性下降。例如，鈦可在沸騰的鎂、鈣、鐵、銅、鋅和銨的氯化物中以及在高溫下能發(fā)生分解，析出氯化氫或氯的其他氯化物。熔融的氯化物和蒸氣在氧存在時，與鈦發(fā)生反應。本來鈦受熔融的堿金屬氯化物的浸蝕很微，但當這些熔鹽與大氣接觸時，則對鈦的浸蝕加劇。NaCl和NaF混合物熔鹽對鈦有很大的腐蝕作用。硫酸和硫化氫鈦與濃度低于5的稀硫酸反應后在鈦表面上生成保護性氧化膜，可保護鈦不被稀硫酸繼續(xù)侵蝕。但濃

28、度高于5的硫酸與鈦有明顯的反應。在常溫下，濃度約40的硫酸對鈦的腐蝕速度最快，因此時生成很易溶的Ti(SO4)2x2x絡離子；當濃度大于40時，上述絡離子分解為TiO2和H2SO4，因而60硫酸腐蝕速度反而變慢；80硫酸又達到最快。加熱的稀硫酸或50的濃硫酸可與鈦反應生成硫酸鈦；TiH2SO4TiSO4H22Ti3H2SO4Ti2(SO4)33H2加熱的濃硫酸可被鈦還原，生成SO2：2Ti6H2SO4Ti2(SO4)33SO26H2O 在硫酸溶液中加入氧化劑和金屬離子時，則可降低硫酸對鈦的腐蝕作用。如在10沸騰硫酸中，加入鐵、銅離于時，則可阻止對鈦的腐蝕。 常溫下鈦與硫化氫反應，在其表面生成一

29、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： TiH2STiSH2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(chǎn)物主要為TiS，1200時為Ti2S3。硝酸和王水致密的表面光滑的鈦對硝酸具有很好的穩(wěn)定性，這是由于硝酸能迅速在鈦的光滑表面上生成一層牢固的氧化膜這層氧化膜在硝酸中甚至在較高溫度下仍保持穩(wěn)定。但是，表面粗糙，特別是海綿鈦或粉末鈦，可與冷、熱稀硝酸發(fā)生反應：3Ti4HNO34H2O3H4TiO44NO3Ti4HNO3H2O3H2TiO34NO高于70的濃硝酸也可與鈦發(fā)生反應：Ti8HNO3Ti(NO3)44NO24H2O冒紅煙的濃硝酸，即飽

30、和NO2的硝酸溶液，能迅速腐蝕鈦，并可與含錳的鈦合金發(fā)生劇烈的爆炸反應。常溫下，鈦不與王水反應。溫度高時，鈦可與王水反應生成TiOCl2其他酸、堿和鹽常溫下，鈦在濃度小于30的磷酸溶液中的腐蝕速率較小。當酸濃度和溫度升高時，則腐蝕速率加快。3的磷酸溶液在100下可顯著地腐蝕鈦，沸騰的濃磷酸腐蝕作用更為強烈。通常各種金屬的溶劑，如氫氧化鈉、硫酸氫鈉和碳酸氫鈉等，與鈦的反應都很慢。稀的堿溶液不與鈦發(fā)生反應。熔融鈦可與堿反應生成鈦酸鹽，如：2Ti6KOH2K3TiO33H2鐵與金屬氧化物在高溫下進行可逆反應，特別是熔融鈦幾乎可同所有金屬氧化物反應：nTi2MemOnnTiO22mMe當nGTiO2&

31、lt;2GMemOn時，反應可進行到底。如：3Ti2Fe2O33TiO24FeTi2CuOTiO22Cu在堿性物質存在下，熔融鈦可被硝酸鹽或氯酸鹽氧化為四價鈦酸鹽，如：3Ti2KOH4KNO33K2TiO34NOH2O3Ti4KOH2KClO33K2TiO32HClH2O粉末鈦與高錳酸鉀的混合物屬爆炸性物質。常溫下鈦不與甲酸（蟻酸）反應，50l00下可激烈反應。鈦與冷、熱乙酸（醋酸）反應時生成二價和三價的乙酸酯。鈦可與熱的三氯乙酸、三氟乙酸和草酸反應，沸騰的三氯乙酸對鈦有強烈的腐蝕作用。60的草酸溶液能腐蝕鈦，其他有機酸不與鈦反應。氨、水和有機物常溫下鈦不與NH3反應，但在高溫下可發(fā)生反應生成

32、氫化物和氮化物：5Ti2NH32TiN3TiH2鈦在常溫下不與水反應。粉末鈦可與沸騰的水或水蒸氣發(fā)生下列反應并析出氫：Ti（粉）4H2O（液）Ti(OH)42H2Ti（粉）4H2O（氣）Ti(OH)42H2但700800的水蒸氣可與鈦反應生成TiO2：Ti2H2OTiO22H2常溫下鈦可與H2O2反應生成過氧氫氧化鈦：Ti3H2O2Ti(OH)2O22H2O熔化的過氧化鈉與鈦發(fā)生激烈反應，生成正鈦酸鈉：Ti2Na2O2Na4TiO4在熾熱溫度下，鈦與碳氫氯化物反應生成TiCl4，并析出碳和氯化氫：TiCCl4TiCl4C3Ti2C2Cl63TiCl44C3Ti2C6Cl63TiCl412CTi

33、2C2H2Cl4TiCl44C4HCl常溫下鈦不與任何碳氫化合物反應，僅在高溫下（1200）才發(fā)生反應生成碳化鈦：TiCH4TiC2H22TiC2H62TiC3H2綜上所述，鈦的性質與溫度及其存在形態(tài)、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(wěn)定的即使在惡劣的環(huán)境之下，如把鈦放到海洋空氣中長期放置，除表面顏色稍有變化外，沒有發(fā)生本質上的變化。但是，粉末鈦在空氣中可引起著火燃燒。鈦中雜質的存在，顯著地影響鈦的物理性能、化學性能、力學性能和耐腐蝕性能，特別是一些間隙雜質氧、氮、碳，它們可以使鈦晶格發(fā)生某些畸變，這就更加影響鈦的各種性能。常溫下鈦的化學活性很小，僅能與氫氟酸等少數(shù)幾種物質

34、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(fā)生劇烈反應。欽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惰性氣氛保護下操作。2二氧化鈦A晶體結構TiO2在自然界中存在三種同素異形態(tài)，即金紅石型、銳鈦型和板鈦型三種，它們的性質是有差異的。其中，金紅石型TiO2是三種變體中最穩(wěn)定的一種，即使在高溫下也不發(fā)生轉化和分解。金紅石型TiO2的晶型屬于四方晶系（見圖21），晶格的中心有一個鈦原子，其周圍有六個氧原子，這些氧原子位于正八面體的棱角處。6配位的Ti和3配位的O，共用（TiO6）八面體的兩條棱邊的鏈平行于c軸。兩個TiO2分子組成一個晶胞。其晶格常數(shù)為a0.4

35、584nm，c0.2953nm。銳鈦型TiO2的晶型也屬于四方晶系，由四個TiO2分子組成一個晶胞，其晶格常數(shù)a0.3776nm，c0.9486nm。銳鈦型TiO2僅在低溫下穩(wěn)定，在溫度達到610時便開始緩慢轉化為金紅石型，730時這種轉化已有較高速度，915時則可完全轉化為金紅石型。 板鈦型TiO2的晶型屬于斜方晶系，六個TiO2分子組成一個晶胞，晶格常數(shù)a0.545nm，b0.918nm，c0.918nm。板鈦型TiO2是不穩(wěn)定的化合物，在加溫高于650時則轉化為金紅石型。B物理性質TiO2是一種白色粉末，它的主要物理性能如下。 密度( g/cm3)：金紅石型4. 261(0)，4.216

36、( 25)；銳鈦型3. 881(0)，3. 849(25)；板鈦型4.135 (0)，4. 105 (25). 莫氏硬度：金紅石型77.5，銳鈦型5.56，板鈦型5.56。 熔點：金紅石型1842土6，熔化熱811J/g。 沸點：金紅石型2670士30，汽化熱(3762±313) Jg。 蒸氣壓：固體lg(p/Pa) 20074. 03×106T1；液體lg(p/Pa)10942.09×106T1。 介電常數(shù)：金紅石型粉末110117；銳鈦型粉末48；板鈦型自然晶體78；金紅右單晶，a軸170，c軸86。 電導率(S/m)：金紅石單晶30時a軸1010，c軸101

37、3；227時a軸107，c軸106。 磁化率：(7.88.9)×108。 折光率：金紅石型2.71，銳鈦型2.52。 摩爾熱容(2001000，J/(mol·K)：金紅石型55.2銳鈦型54.2。C化學性質TiO2是一種化學性質很穩(wěn)定的弱兩性氧化物，它的堿性略強于酸性。TiO2是一個十分穩(wěn)定的化合物，它在許多無機和有機介質中都具有很好的穩(wěn)定性。它不溶于水和許多其他溶劑。金紅石型TiO2僅在極高的溫度下分解，在常溫下幾乎不與其他元素和化合物反應。氧、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫等氣體對TiO2不起作用，氯氣也很難與TiO2直接反應。TiO2難溶于水、脂肪酸、其他有機酸和稀無機酸

38、（氫氟酸除外）中。a還原反應在高溫下TiO2可被許多還原劑還原，還原產(chǎn)物取決于還原劑的種類和還原條件，一般為低價鈦氧化物，只有少數(shù)幾種強還原劑才能將其還原為金屬鈦。干燥的氫氣流緩慢通過7501000下的TiO2，便會還原生成Ti2O3：2TiO2H2Ti2O3H2O在溫度2000和1315MPa的氫氣中可還原為TiO：TiO2H2TiOH2O加熱的TiO2可被鈉蒸氣和鋅蒸氣還原為低價氧化鈦：4TiO24NaTi2O3TiO Na4TiO4TiO2ZnTiOZnO鋁、鎂、鈣在高溫下可還原TiO2為低價鈦氧化物，在高真空中也能將其還原為金屬鈦，如：3TiO24Al2Al2O33Ti但由TiO2還原

39、得到的金屬鈦一般氧含量較高。TiO2在高溫下可被金屬鈦還原為低價鈦氧化物：3TiO2Ti2Ti2O3TiO2Ti2TiO銅相鉬在加熱至1000以上也能還原TiO2。TiO2在高溫下可被碳還原為低價鈦氧化物及碳化鈦：TiO2CTiOCOTiO23CTiC2COTiO2與CaH2反應生成氫化鈦：TiO22CaH2TiH22CaOH2反應生成的TiH2，在高溫真空中脫氫后可制得金屬鈦。b與鹵素及鹵化物的反應TiO2容易與F2反應生成TiF4，并放出氧：TiO22F2TiF4O2TiO2較難與Cl2進行反應，即使在1000下反應也不完全：TiO22Cl2TiCl4O2在碳還原劑存在時，TiO2可與熱氯

40、氣流反應，反應同時生成CO、CO2，反應式為：TiO2C2Cl2TiCl4CO2TiO22C2Cl2TiCl42CO這一性質被用于工業(yè)生產(chǎn)TiCl4。TiO2與氟化氫反應生成可溶于水的氟氧鈦酸。TiO2也可與氣體氯化氫或液體氯化氫反應生成二氯二氧鈦酸：TiO24HFH2TiOF4H2OTiO22HClH2TiO2Cl2在高于800時TiO2與氯化氫加碳反應生成TiCl4。TiO22C4HClTiCl42CO2H2在高溫下，TiO2可與其他氯化物反應生成TiCl4，如：TiO22SOCl2TiCl42SO2在高溫下，TiO2可與許多金屬鹵化物反應生成鈦酸鹽，如：2TiO22KFK2TiO3K2T

41、iOF4c與氮及氨化物的反應TiO2在通常條件下不與氮發(fā)生反應，在加熱時可與氮及氫的混合物反應生成氮化鈦：TiO2N22H2TiN22H2O在高溫下，TiO2可與氨反應生成氮化鈦：6TiO28NH36TiN12H2ON2d與無機酸、堿和鹽的反應TiO2不溶于水，但可與過氧化氫反應生成過氧偏鈦酸。除氫氟酸外，TiO2不溶于其他稀無機酸中，各種濃度的氫氟酸均可溶解TiO2生成氧氟鈦酸。TiO2可溶于熱的濃硫酸、硝酸和苛性堿中，也能很好地溶于碳酸氫鉀的飽和溶液中。金紅石型TiO2很難溶于濃硫酸中。TiO2H2SO4TiOSO4H2O在低于235的溫度下加熱，或加入過氧化氫、硫酸銨或堿金屬硫酸鹽時，可

42、加速金紅石型TiO2溶于濃硫酸中。與酸式硫酸鹽反應，表明TiO2顯微弱堿性：TiO24KHS04Ti(S04)22K2S042H2O這一性質被用于分析化學中。熔融狀態(tài)下與碳酸鈉或碳酸鋇反應，表明TiO2顯微弱酸性：TiO2BaCO3BaTiO3CO2e與有機化合物的反應TiO2既不溶于大多數(shù)有機化臺物中，在低溫下也不與它們發(fā)生反應，僅在高溫下才能同有機物反應，如：4TiO2CH44TiOCO22H2OTiO2CCl4TiCl4CO2TiO2C6H4(CCl3)2TiCl4C6H4(COCl)2在高溫下，TiO2可被乙醇和丙醇還原為TiO，甚至可還原為金屬鈦：TiO2C2H5OHTiOC2H4O

43、H2OTiO22C2H5OHTi2C2H4O2H2O3一氧化鈦TiO在TiO系中形成固溶體，它在TiO0.8TiO1.22組成范圍內穩(wěn)定。A物理性質TiO是一種具有金屬光澤的金黃色物質，存在兩種變體（，），轉化溫度為991±5，轉化熱為53.4 J/g。小于991時穩(wěn)定態(tài)TiO是面心立方晶系，晶格常數(shù)a0.417 nm±0. 0005 nm；大于991時穩(wěn)定態(tài)TiO也是面心立方晶系，晶格常數(shù)a0.4162 nm±0. 018 nm。0時密度為4.93g/cm3，25時為4.88g/cm3。莫氏硬度為6，熔點為1760，液體蒸氣壓計算式為：lg(p/Pa) 1387

44、3.91×106T17.75×102T沸點為3227，20時電導率為0.249S/m電導率隨溫度的升高而減小，這是具有金屬性質的一種特征，20時磁化率為1.38×106。B化學性質TiO中Ti的氧化態(tài)為2，處于Ti的低價氧化態(tài)，很容易被氧化，是一種強還原劑，與鹵素作用生成鹵化鈦或鹵氧化鈦，如：2TiO4F22TiF4O2TiOCl2TiOCl2在空氣中加熱至400時，TiO開始逐漸被氧化，達到800時則氧化為TiO2：2TiOO22TiO2TiO是一種堿性氧化物，能溶于稀鹽酸和稀硫酸中，并放出氫氣：2TiO6HCl2TiC132H2OH22TiO3H2SO4Ti2

45、(SO4)32H2OH2反應的實質不只是一般的酸堿中和，還包含著氧化還原反應，反應過程中生成的Ti2像活潑金屬那樣置換出這些酸中的氫。由此可見，Ti2在水溶液中極不穩(wěn)定。上述反應說明TiO具有金屬性質，可在酸性溶液中離解出金屬陽離子，上述兩反應式可簡化為離子式：2TiO6H2Ti32H2OH2在沸騰的硝酸中TiO被氧化：TiO2HNO3TiO22NO2H2OC制取方法TiO可由各種還原劑還原TiO2制取，如用鎂還原時反應如下：2TiO2Mg TiOMgTiO3也可用氫氣、金屬鈦和碳等還原劑還原TiO2制取TiO，反應分別按下式進行：TiO2H2TiOH2O （2000，1315MPa）TiO2

46、Ti2TiO （高溫）TiO2CTiOCO （高溫）在CaCl2或氟化物熔鹽中電解TiO2時，也可在陰極上析出TiO。4三氧化二鈦Ti2O3在TiO體系中形成固溶體，它在TiO1.46TiO1.56組成范圍內穩(wěn)定。A物理性質Ti2O3是一種紫黑色粉末，存在兩種變體（，），轉化溫度為200，轉化熱為6.35J/g。低溫穩(wěn)定態(tài)Ti2O3屬于斜方六面體，晶格常數(shù)a0.524nm，c1.361nm，56°36。高溫穩(wěn)定態(tài)為Ti2O3。Ti2O3在水中溶解度很小。Ti2O3在10時密度為4.60g/cm3，25時為4.53g/cm3，熔點為1839，熔化熱為0.78kJ/g。液體Ti2O3在3

47、200時分解。Ti2O3具有P型半導體性質。B化學性質Ti2O3是一種弱堿性氧化物。Ti2O3當蒸發(fā)為氣態(tài)時則發(fā)生歧化反應：Ti2O3TiOTiO2歧化平衡壓力( Pa)可由下式表示：lg()28798.6×106T10.167TTi2O3歧化時，TiO和TiO2的壓力見表18。Ti2O3在空氣中僅在很高的溫度下才氧化為TiO2：2Ti2O3O24TiO2表18 Ti2O3歧化反應的平衡壓力（kPa）平衡壓力t/2262002.0482×1020.1600.8073.47113.11437.772101.8805.32×1048.645×1038.911

48、×1030.6112.74012.23639.2351.995×1021.420.7182.87310.37425.53661.845Ti2O3不溶于水，也不與稀鹽酸、稀硫酸和硝酸反應，溶于濃硫酸時生成紫色溶液：Ti2O33H2SO4Ti2(SO4)33H2OTi2O3能與氫氟酸、王水反應，并放出熱量。它還能溶于熔化的硫酸氫鉀中并發(fā)生氧化：Ti2O34KHSO4K2TiO2(SO4)K2TiO(SO4)2SO22H2OTi2O3與CaO、MgO等金屬氧化物熔融時，反應生成復鹽。C制取方法Ti2O3可由各種還原劑還原TiO2而制取，如采用鎂還原時反應為：2TiO2MgTi2O

49、3Mg用氫氣作還原劑時，以干燥氫氣流緩慢通過TiO2，加熱至7501000，TiO2也被還原為Ti2O3：2TiO2H2Ti2O3H2O以鈦作還原劑時，在高溫下也能將TiO2還原：3TiO2Ti2Ti2O35五氧化三鈦Ti3O5在TiO體系中形成固溶體，它在TiO1.67TiO1.79組成范圍內穩(wěn)定。Ti3O5存在兩種變體，轉化溫度為177。Ti3O5的密度為4.57g/cm3，Ti3O5的密度為4.29g/cm3。在高鈦渣中存在的Ti3O5是一種藍黑色粉末。Ti3O5可用作真空鍍膜材料。6二氫氧化鈦A化學性質Ti(OH)2是一種強還原劑，很容易被氧化。剛制取的Ti(OH)2顏色很暗，但放置時

50、顏色逐漸變淺，最后變?yōu)榘咨?，這是由于Ti(OH)2自然氧化為TiO2：Ti(OH)2TiO2H2在空氣中加熱Ti(OH)2，則氧化為偏鈦酸：2Ti(OH)2O22H2TiO3Ti(OH)2是一種典型的堿性氧化物，它易溶于酸中并放出氫氣：2Ti(OH)26H2Ti34H2OH2當Ti(OH)2在氫氣保護下溶于酸中時，便生成二價鈦鹽：Ti(OH)22HTi22H2OB制取方法在氫氣保護下的二價鈦鹽溶液中加人氫氧化物或碳酸銨會沉淀生成Ti(OH)2：Ti22NH4OH2NH4Ti(OH)2 （黑色沉淀）Ti2(NH4)2CO3H2O2NH4CO2Ti(OH)2 （褐色沉淀）7三氫氧化鈦A化學性質Ti

51、(OH)3是一種還原劑，容易被氧化。剛制取的Ti(OH)3顏色較深，但放置時顏色逐漸變淺，最后變?yōu)榘咨?，這是由于在水的作用下其被氧化為正鈦酸：2Ti(OH)32H2O2H2TiO4H2另外，Ti(OH)3也容易在空氣中氧化生成偏鈦酸：4Ti(OH)3O24H2TiO32H2OTi(OH)3是一種弱堿性氫氧化物，它可溶于酸中生成三價鈦鹽：Ti(OH)33HTi33H2OB制取方法在三價鈦鹽溶液中加入氫氧化銨、堿金屬氫氧化物、硫化物或碳酸鹽，便能生成Ti(OH)3沉淀：TiCl33OHTi(OH)33Cl2TiCl33S26H2O2Ti(OH)36Cl3H2S2TiCl33CO326H2O2Ti(

52、OH)36Cl3H2CO38正鈦酸A性質正鈦酸通常是無定型的白色粉末。它是一種不穩(wěn)定的化合物，熱水洗滌、加熱或長時間在真空中干燥時便轉化為偏鈦酸。正鈦酸不溶于水和醇中，但易轉化為膠體溶液。正鈦酸是兩性氫氧化物，它在常溫下易溶于無機酸和強有機酸中，也能溶于熱的濃堿溶液中。在水溶液中，正鈦酸通常以水化物的形式存在，在pH7時為二水正鈦酸，而在pH<7（即酸性）的溶液中存在下列平衡轉化：Ti(OH)4(H2O)2OH3Ti(OH)3(H2O)3H2OTi(OH)3(H2O)3OH3Ti(OH)2(H2O)42H2OTi(OH)2(H2O)42OH3Ti(OH)(H2O)53H2O在pH >

53、;7（即堿性）的溶液中存在下列平衡：Ti(OH)4(H2O)2OHTi(OH)5(H2O)H2OTi(OH)5(H2O)OHTi(OH)62H2OB制取方法硫酸或鹽酸的二氧化鈦溶液與堿金屬氫氧化物或碳酸鹽反應，反應生成物在常溫下干燥則可得到正鈦酸。TiCl4在大量水中水解時，也能生成正鈦酸的水化物：TiCl45H2OH4TiO4·H2O4HCl粉末鈦與沸騰水反應也可生成正鈦酸：Ti（粉末）4H2OH4TiO42H29偏鈦酸A性質偏鈦酸是種白色粉末，加熱時變黃。25時密度為4.3g/cm3。偏鈦酸不導電。偏鈦酸不溶于水，也不溶于稀酸和堿溶液中，卻溶于熱濃硫酸中。偏鈦酸的酸性表現(xiàn)為在高溫下能與金屬氧化物、氫氧化物、碳酸鹽燒結生成相應的鈦酸鹽；與金屬鹵化物反應也生成鈦酸鹽，并析出鹵化氫。偏鈦酸是不穩(wěn)定化合物，在煅燒時發(fā)生分解，生成TiO2。偏鈦酸脫水的起始溫度為200，300時已達到較大的脫水速度，但需在高溫下才能脫水完全。B制取方法偏鈦酸可由金屬鈦與40%硝酸反應生成：3Ti