发布时间 : 星期日 文章钛化合物性质更新完毕开始阅读60096a8f647d27284a73512c
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
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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5×1013
cm。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。
表2－1 钛原子的电离能 失去电子的次序 1 2 3 4 5 6 7 8
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8×1018J，因此容
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易失去这4个电子。3p电子的电离势都在16.06×1018J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。
表2－2 钛原子半径和离子半径 －
名称 4s 4s 3d 3d 3p 3p 3p 3p 电离能/J 1.09×102.17×104.40×107.06×10－18－18－18－18 16.06×1019.51×1022.9×1027.8×10－18－18－18－18 原子或离子 半径r/nm Ti 0.146 Ti 0.095 ＋Ti2 ＋Ti3 ＋Ti4 ＋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2－3。
表2－3 钛的同位素及其性质 同位素质量数 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 丰度/% 0.001 0.007 0.0015 0.0015 7.99 7.32 73.97 5.46 5.25 0.0001 0.0001 0.0001 －－－－辐射特征 β，γ β，γ β，γ －－半衰期 0.58d 47a 3.08h 热中子捕获截面/m2 热中子散射截面/m2 (0.6±0.2)×10(1.6±0.3)×10(8.0±0.6)×10(1.8±0.5)×100.2×10 －28－28－28－28－28 (3.3±1.0)×10(5.2±1.0)×10(9.0±4.0)×10(2.8±1.0)×10(3.3±1.0)×10 －28－28－28－28－28稳定同位素 稳定同位素 稳定同位素 稳定同位素 稳定同位素 β，γ β，γ β，γ 5.9min 41.9min 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IVB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。 IVA族，即碳族元素的原子也和IVB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IIIB族（d1s2）、VB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IIIB族元素（钪、钇）和VB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℃）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
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1.588N/m，1730℃时液钛的动力黏度为8.9×105m2/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。
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α—Ti单晶的线膨胀系数是各向异性的，在0℃时ɑ轴方向为7.34×106/℃，c轴方向为
8.9×106/℃。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。
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在20～300℃时α—Ti多晶的平均线膨胀系数为8.2×106/℃。
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
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金属钛的蒸气压是很低的，在900℃时仅为3×109Pa，1000℃时仅为1.5×108Pa。固体β—Ti的蒸气压P(Pa)与温度的关系式为：
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lgP＝－27017T1－6.768lgT＋6.11×104T＋34.636 (1155.5～1933K)
液相钛的蒸气压P(Pa)与温度的关系式为：
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lgP＝－22328T1＋11.251 (1933～3575K)
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2—1所尔。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：
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λ＝26.75－32.8×103t＋8.23×105t2－9.7×108t3＋4.6×1012t4 (t>0℃)
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2—2所示。
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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：
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ρ＝0.385＋1.75×103t－7×1013t3
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（ρμΩ·m）为：
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ρ＝0.51＋2.25×103t－8.6×1010t3
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
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金属钛是无磁性物质，磁化系数α—Ti 3.2×106（20℃），β—Ti 4.5×106（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2—4中。
表2—4 钛的光学性质 光学性质名称 反射率е/% 折射指数 吸收系数 入射波长/nm 400 53.3 1.88 2.69 450 54.9 2.10 2.91 500 56.6 2.325 3.13 550 57.05 2.54 3.34 580 57.55 2.65 3.43 600 57.9 2.76 3.49 650 59.0 3.03 3.65 700 61.5 3.30 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2—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cp为0.52J/(g·K)。
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α—Ti：＝0.462＋0.215×103T (298～1155K)
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β—Ti：＝0.413＋0.165×103T (1155～1933K) 熔融钛为0.74J/(g·K)
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气体钛：＝0.553－2×104T＋1.285×109T2－1.74×1011T3 (200～4000K) ②．焓
钛在298K时钛的焓为100.2J/g。
θα—Ti：Hθ104T2＋83T1－45.7 (200～1500K) T－H0＝0.457T＋1.12×
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θβ—Ti：Hθ104T2 (1155～1900K) T－H0＝159＋0.360T＋1.09×
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③．熵
钛在298K时钛的熵为0.64J/(g·K)。
α—Ti：Sθ104T－112.7T1 (160～1100K) T＝0.815＋6.8×
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β—Ti：Sθ103T－1.3×107T2 (1200～1900K) T＝0.714＋8.5×
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液相钛：Sθ104T－5.68×108T2 (2000～3000K) T＝1.17＋1.29×
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气相钛：Sθ105T－377T1 (200～5000K) T＝4.9＋4.19×
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