21世紀的金屬

楊丹敏

鈦位于元素周期表的IVB族，原子序數22，是一種難溶的稀有金屬。

鈦的發現

鈦是英國化學家馬克·格雷戈爾在1791年研究鈦鐵礦和金紅石時發現的。幾年以后，德國化學家克拉普羅特從匈牙利博伊尼克的一種紅色金紅石中也發現了這種元素，他引用希臘神話中“Titans”（太陽神族）的名字給這種元素起名叫“Titanium”（中文按照它原文名稱的譯音定名為鈦）。其實當時找到的是粉末狀的二氧化鈦而不是金屬鈦。直到1910年美國化學家亨特第一次制得純度達99. 9%的金屬鈦，但總共還不到1 g。

鈦的存在

鈦的蘊藏豐富，但分布卻很分散。在地殼外層16 km的范圍內鈦約占0.6%，僅次于氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂，居第9位。在結構材料中，僅次于鋁、鐵、鎂。

鈦是一種十分活潑的元素，可與周期表中許多元素發生化合反應，特別是對氧的親和力非常大。因此，自然界中沒有游離態的元素鈦存在。含鈦的礦物種類很多，到目前為止已知有近70種，其中最有工業價值的有：金紅石（TiO2）、欽鐵礦（FeTiO3）及組成復雜的釩鈦鐵礦。我國鈦蘊藏量居全球之首，四川攀枝花地區有極豐富的釩鈦鐵礦，蘊藏量約15億噸。

鈦的性質和應用

鈦具有銀白色金屬光澤，從外觀看略似鋼，它熔點高（1 725 ℃），密度小（4.5g/cm3），機械強度高，容易加工成形。鈦比鐵強韌得多，比重卻只有鐵的一半多一點，而且不會生銹；鈦比鋁重不到兩倍，強度比鋁大3倍，而且耐熱性能遠優于鋁。在航空工業中，鈦用以制造現代超音速飛機，其飛行速度和高度都超過一般的飛機， 鈦也用于制造噴氣發動機零件（壓縮機上的葉輪、渦輪葉片、轉子等）。

在火箭、導彈和宇航工業中， 鈦主要用做壓力容器、燃料貯箱、火箭發動機殼體、火箭噴嘴套筒、人造衛星外殼、宇宙飛船船艙等。（由于鈦的密度小，使火箭、導彈、宇宙飛船等重量減輕，降低了制造費用。）

對鈦來說，最重要、最穩定的化合物是四價的，但是， 鈦相當容易形成三價和二價的化合物。衍生的一價鈦化合物大都是不穩定的。

鈦在含氧環境中易形成一層薄而堅固的氧化物薄膜，這種薄膜能耐氧化溶液和氯化物溶液的侵蝕，因而使鈦具有優異的耐腐蝕性能，鈦抗海水腐蝕的能力比其他所有金屬都好，無論是在靜止的或高速流動的海水中，鈦都具有特殊的穩定性。因此，鈦是海水淡化裝置的理想材料。鈦也是造船工業的理想結構材料，用鈦制造的輪船，銀光閃閃，用不著涂漆，在海水中航行幾年也不會生銹。用鈦制的軍艦、潛水艇沒有磁性，不會被磁性水雷發現和跟蹤，而且能抗深水壓力。

鈦與各種濃度的硝酸、稀硫酸，各種弱堿的作用非常緩慢，在化學工業中，可用以制造各種化工設備，如熱交換器、泵、反應器、加熱器等。例如在化肥工業中，目前國外已使用鈦材料來制造尿素生產中的合成塔、反應器、攪拌器、換熱器、分離器和壓縮機等設備。

鈦與氧和氮的化學親合力非常強，所以在煉鋼過程中可用鈦做脫氧劑和脫氮劑（鈦與溶解在鋼中的氮相互作用生成不溶解的氮化物），從鋼中徹底清除氧、氮雜質，使鋼的結構致密化并提高鋼的機械性能。

另外，鈦在含有金屬離子的酸性溶液中具有很好的穩定性，因此，鈦在濕法冶金工業中，如銅、鎳、鈷、錳等有色金屬的電解生產中，有著十分廣泛的應用。

鈦在醫學上也有著奇妙的用處，在骨骼損壞了的地方，用鈦片和鈦螺絲釘釘好，過幾個月骨頭就會重新長在鈦片的小孔和鈦螺絲釘的螺紋里，新的肌肉纖維便包在鈦的薄片上，這種鈦“骨頭”猶如真的骨頭一樣。因此，鈦被稱為“親生物金屬”。

隨著工業的發展和科學技術的進步，鈦開始應用于日用品方面，如高爾夫球桿、滑雪板、眼鏡架、照相機外殼等。

鈦合金的功能特性

鈦合金有記憶、超導和吸氫等三種特殊功能。鈦合金的這三種特殊的功能在開發新能源中有特殊作用。

記憶功能：指的是鈦鎳合金在一定溫度下有恢復原有形狀的本領。

超導功能：指的是鈦鎳合金做成的導線，當溫度接近-273 ℃時，電阻為零。鈦鎳合金可做超導材料。

吸氫功能：鈦鐵合金有吸收氫氣的功能。它可以把氫氣大量、安全地貯存起來用以代替笨重的鋼制高壓氣瓶。在一定條件下，又可以把貯存的氫氣放出來，我們把這類合金稱為貯氫材料。

鈦的展望

金屬鈦工業是靠制造飛機發展起來的，如美國在20世紀50年代初生產的全部鈦金屬都用在制造飛機上。目前鈦的應用主要受到產量的限制，但是隨著科技的發展，冶煉技術的不斷改進，鈦的年產量逐漸提高，金屬鈦的許多優良性能將會得到越來越廣泛的應用，鈦大有可能成為繼銅、鐵、鋁之后的第四代金屬，成為未來的鋼鐵。因此，有人把鈦譽為21世紀的金屬。

人教版化學九年級下冊第八單元《金屬和金屬材料》課內知識拓展