钛

鈦是一種化學元素，化學符號Ti，原子序數22，是一種銀白色的過渡金屬,其特徵為重量輕、強度高、具金屬光澤，亦有良好的抗腐蝕能力。由于其良好的耐高温，耐低温，抗强酸，抗强碱，以及高强度，低密度，稳定的化学性质，被美誉为“太空金属”。鈦能與鐵、鋁、釩或鉬等其他元素熔成合金，造出高強度的輕合金，在各方面有着廣泛的應用，包括航天（噴氣發動機、導彈及航天器）、軍事、工業程序（化工與石油製品、海水淡化及造紙）、汽車、農產食品、醫學（義肢、骨科移植及牙科器械與填充物）、運動用品、珠寶及手機等等。^[2]鈦於1791年由英國的威廉·格里戈爾（William Gregor）所發現，並由克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）用希臘神話的泰坦為其命名。

鈦的礦石主要有鈦鐵礦及金紅石，廣佈於地殼及岩石圈之中。鈦亦同時存在於幾乎所有生物、岩石、水體及土壤中。^[2]從主要礦石中萃取出鈦需要用到克羅爾法^[3]或亨特法。鈦最常見的化合物，二氧化鈦可用於製造白色顏料。^[4]其他化合物還包括四氯化鈦（TiCl₄）（作催化劑及用於製造煙幕或空中文字）及三氯化鈦（TiCl₃）（用於催化聚丙烯的生產）。^[2]

鈦最有用的兩個特性是，抗腐蝕性，及金屬中最高的強度－重量比。^[5]在非合金的狀態下，鈦的強度跟某些鋼相若，但卻還要輕45%。^[6]有兩種同素異形體^[7]和五種天然的同位素，由⁴⁶Ti到⁵⁰Ti，其中豐度最高的是⁴⁸Ti（73.8%）。^[8]鈦的化學性質及物理性質和鋯相似。

[编辑] 特性

[编辑] 物理性質

在金屬元素中，鈦的強度－重量比之高是公認的。^[7]它是一種高強度但低質量的金屬，而且具有相當好的延展性（尤其是在無氧的環境下）。^[9]。表面呈銀白色金屬光澤。^[10]它的熔點相對地高（超過攝氏1,649度），所以是良好的耐火金屬材料。

商業等級的鈦（純度為99.2%）具有約為434兆帕斯卡的極限抗拉強度，與低等級的鋼合金相若，但比鋼合金要輕45%。^[6]鈦的密度比鋁高60%，但強度是鋁的雙倍。^[6]鈦可被用於各種用途。某些鈦合金（例如βC）的抗拉強度達1,400帕斯卡。^[11]然而，當鈦被加熱至攝氏430度以上時，強度會減弱。^[12]

它具有相當的硬度，儘管比不上高等級的熱處理鋼。它不具磁性，同時是不良的導熱及導電體。用機械處理時需要注意，因為如不採用鋒利的器具及適當的冷卻手法，鈦會軟化，並留有壓痕。像鋼結構體一樣，鈦結構體也有疲勞極限，因此在某些應用上可保證持久耐用。^[10]

鈦是一種雙型的同素異形體，在攝氏882度時，就會從六邊形的α型轉變成體心立方（晶格）的β型。^[12]在到達臨界温度前，α型的比熱會隨着升温而暴增，但到達後會下降，然後在β型下不論温度地保持基本恆定。^[12]跟鋯和鉿類似，鈦還存在一種ω態，在高壓時熱力學穩定，但也可能在常壓下以介穩態存在。此態一般是六邊形（理想）或三角形（扭曲），在軟性縱波聲頻光子導致β型（111）原子平面倒塌時能被觀測到。^[13]

[编辑] 化學性質

鈦的特性中，最為人稱道的就是它優良的抗腐蝕能力——它的抗蝕性幾乎跟鉑一樣好，可以抵抗酸及水中的潮濕氯氣，但仍可被濃酸溶解。^[14]

雖然以下的電位－pH圖指出鈦在熱力學上是一種活性很高的金屬，但是它與水及空氣的反應是非常緩慢的。

在純水、高氯酸或氫氧化鈉中的鈦電位－pH圖。^[15]

鈦在曝露在高温空氣中時，會生成一層鈍氧化物保護膜（因此抗腐蝕能力會增強），但在空温時仍不會失去光澤。^[9]在最初形成時，保護層只有一至二納米厚，但會緩慢地持續增厚；四年間可達25納米厚。^[16]

當鈦在空氣中被加熱至攝氏1200度時會燃燒起來，而在純氧中最低只需攝氏610度，燃燒過程中會生成二氧化鈦。^[7]因此不能在空氣中熔掉鈦，因為在到達熔點前鈦會先燃燒起來，所以只能在惰性氣體或真空中熔化鈦。鈦也是少數會在純氮氣中燃燒的元素（於攝氏800度時燃燒起來，生成氮化鈦，並導致脆化）。^[17]鈦不受稀硫酸、稀鹽酸、氯氣、氯溶液及大部份有機酸的腐蝕。^[3]它具有順磁性（會微弱地被磁鐵吸引），及相當低的導電性和導熱性。^[9]

實驗指出，天然鈦在受到氘核轟擊後會具有放射性，主要釋放出正電子及硬性γ射線。^[3]當赤熱時鈦會與氧氣結合，到攝氏500度時會與氯氣結合。^[3]鈦亦會與其他鹵素結合，及吸收氫氣。^[4]

[编辑] 化合物

帶氮化鈦鍍膜的鑽頭

[编辑] 天然含量

出產地	產量（千吨）	佔總產量%
澳大利亞	1291.0	30.6
南非	850.0	20.1
南非	767.0	18.2
挪威	382.9	9.1
烏克蘭	357.0	8.5
其他國家	573.1	13.6
全世界	4221.0	100.0

資料來源：2003年二氧化鈦的產量。^[18]
由於四捨五入的關係，數值總和並不等於100%。

自然中的鈦總是與其他元素結合成化合物。它是地殼中含量第九高的元素（質量佔地殼0.63%）^[19]，同時也是第七高的金屬。大部份的火成岩及由其演變成的沉積岩都含有鈦（生物及天然水體也含有鈦）。^[3]^[9] 實際上，在美國地質調查局分析過的801種火成岩中，784種含有鈦。^[19] 鈦大約佔土壤的0.5至1.5%。^[19]

它分佈很廣，主要礦物為銳鈦礦、板鈦礦、鈦鐵礦、鈣鈦礦、金紅石、榍石及大部分鐵礦石。^[16]這些礦物中，只有金紅石和鈦鐵礦具有經濟價值，但即使是這兩種礦物，它們的高濃度礦源仍是很難找。

[编辑] 同位素

主条目：鈦的同位素

天然生的鈦有五種穩定的同位素：⁴⁶Ti、⁴⁷Ti、⁴⁸Ti、⁴⁹Ti及⁵⁰Ti，其中最常見的是⁴⁸Ti（天然豐度為73.8%）。現時已知鈦共有十一種放射性同位素，其中比較穩定的有⁴⁴Ti（半衰期63年）、⁴⁵Ti（半衰期184.8分鐘）、⁵¹Ti（半衰期5.76分鐘）及⁵²Ti（半衰期1.7分鐘）。而剩下的其他放射性同位素，半衰期最長只有33秒，而大部份的半衰期更在半秒以下。^[8]

鈦各同位素的原子重量，最輕有39.99u（⁴⁰Ti），最重有57.966u（⁵⁸Ti）。最常見的穩定同位素，⁴⁸Ti，其主要衰變模式為電子捕獲，衰變產物為元素21（鈧）的同位素；而其次的衰變模式為β衰變，產物為元素23（釩）的同位素。^[8]

[编辑] 歷史

1791年，英格蘭礦物學家威廉·格里戈爾(Reverend William Gregor)在鈦鐵礦中辨識出這種新的元素，命名它為menachite。大約就在同時，喬瑟夫·穆勒(Franz Joseph Muller)也製造出類似的物質，但卻無法辨識它。一直到1795年，德國化學家克拉普羅特(Martin Heinrich Klaproth)在金紅石中再度發現到這種物質，並以拉丁文命名其為Earth[即希臘神話中的泰坦(Titans)]。

克拉普羅特以希臘神話的泰坦為鈦命名。

鈦這種金屬，很難從礦物中提煉出來，曾經以一比十比例黃金的稀有金屬，歷史上最早備製出純鈦(99.9%)，一直要到1910年，美國的鍊金學家亨特(Matthew A. Hunter)將四氯化鈦和钠一起加熱還原，提煉出來高純度的鈦，但是這時的鈦還是屬於實驗室的階段，1946年克羅爾(William Justin Kroll)利用鎂將四氯化鈦還原以提煉出鈦後，鈦金屬才真正有商業用途。鈦的抗拉強度 = 220MPa 降伏強度是 140MPa

以碘化物精煉法製造出的鈦晶棒

[编辑] 製備

鈦（精鑛）

處理鈦金屬主要分四個步驟：^[20]一、把鈦礦石還原成“海綿體”，一種透氣的形態；二、製造鑄錠，熔化海綿體（或海綿體加一種母合金）來形成鑄錠；三、初部製造，把鑄錠製成一般機械製品，如坯、棒、板、片、條及管；四、加工製造，把機械製品進一步加工成型。

由於鈦在高温時會與氧氣反應的關係，所以不能用還原反應來從氧化物中提煉鈦。^[10]因此商業上提煉鈦金屬要用到克羅爾法，一種既繁複又昂貴的分批處理法。（鈦的市價相對地高，是因為在提煉的過程中，需要犧牲另一種昂貴的金屬——鎂。^[21]）在克羅爾法中，氧化物首先經過碳氯化，轉化成氯化物，過程中氯氣會在有碳的情況下，通過紅熱的金紅石或鈦鐵礦，生成四氯化鈦（TiCl₄）。氯化物經分餾法濃縮及提純後，在攝氏800度的氬氣中被熔鎂還原成鈦。^[7]

一種最近開發的提煉法，FFC劍橋法，^[22]日後有可能完全取代克羅爾法。此法的原料是粉末狀的二氧化鈦（一種精煉過的金紅石），而最後成品則會是鈦粉末或海綿體。假如使用混合過的粉末狀氧化物，那麼成品則會是廉價鈦合金，因為這樣做比通用的多步熔化法要便宜得多。FFC劍橋法使鈦不像從前那樣的如此稀少和昂貴，可為航天工業及奢侈品市場提供更多的選擇，同時可取代一些製品中的鋁或特殊等級的鋼。

一般鈦合金是由還原反應所造出來的。例如，銅鈦合金（把加了銅的金紅石還原而成）、碳鈦鐵合金（把鈦鐵礦和焦炭用電爐還原而成）和錳鈦合金（金紅石加錳或氧化錳）都是經還原而成的。^[17]

2FeTiO₃ + 7Cl₂ + 6C (900 °C) → 2TiCl₄ + 2FeCl₃ + 6CO

TiCl₄ + 2Mg (1100 °C) → 2MgCl₂ + Ti

[编辑] 用途

[编辑] 顏料、添加劑及塗料

二氧化鈦是最常用的鈦化合物m

[编辑] 航天及航海

鈦與氮、碳的合金是氮化鈦、碳化鈦。耐熱本領比純鈦高一倍，用來制切削刀具。金黃色的氮化鈦是一種裝飾品。純鈦是製造飛機、坦克、軍艦、潛艇、飛彈、宇宙飛船不可缺少的金屬。

[编辑] 工業

[编辑] 消費品及建材

毕尔巴鄂古根海姆美术馆的鈦板護層。

[编辑] 醫學

金属钛是一种生物金属,其最大特点是对人体没有任何毒副作用,生物相容性最好。稳定性也比较好，只是做首饰比金银更为发亮而已。钛抗疲劳还没得到验证，也就是不可信，因为钛的稳定性太强了，熔点(℃)为1720，沸点(℃)为3530，哪有可能在常温下释放负离子之类的东西帮助人类抗疲劳呢？

[编辑] 危害

蕁麻最高可含有百萬分之八十的鈦

[编辑] 参见

过渡金属

[编辑] 參考書目

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[编辑] 外部链接

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Uoq

Uop

Uoh

Uos

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金屬						類金屬	非金屬			未發現元素
鹼金屬	鹼土金屬	內過渡金屬		過渡金屬	其他金屬		其他非金屬	鹵素	稀有氣體
		鑭系元素	錒系元素

註1：本表以元素週期表為主，而第八週期以後之週期表則參以擴展元素週期表。而氦(He)在擴展元素週期表中應挪至氫(H)之右方，屬s區塊之元素。
註2：灰色區塊所稱之「其他金屬」，又通稱為貧金屬。

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[_note-Barksdale1968p732] 引用错误无效<ref>标签；未为name属性为Barksdale1968p732的引用提供文字; $2

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[_note-Barksdale1968p733-20] Barksdale（1968年），第733頁

[_note-21] Chen, George Zheng; Fray, Derek J.; Farthing, Tom W.（2000年）．Direct electrochemical reduction of titanium dioxide to titanium in molten calcium chloride．Nature，407：361 – 64．doi:10.1038/35030069． Abstract

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钛

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