上天入海，“钛”不简单

科迈斯仪器

2024/04/18 17:33

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▼“钛”▼

有一种金属，具有银灰色光泽、外形似钢，却拥有高强度、低密度、防腐蚀等和其他许多金属不可比拟的优势。这种金属在航空、航天、航海、医疗等领域不可或缺，享有“未来金属”“太空金属”等美誉。

这种能上天入海的金属，就是钛。

钛的发现与命名

1791年，英国牧师兼业余地质学家威廉·格雷戈尔（William Gregor）检查了当地一条河流的磁性沙土，除去磁性氧化铁并用盐酸处理残留物后，剩下的是不纯的新元素白色氧化物。1795年，德国化学家马丁·海因里希·克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）从一种匈牙利金红石矿物中独立地分离出这种白色氧化物。他引用希腊神话中神族“Titanic”的名字给这种新金属元素起名叫“Titanium”。然而，他们发现的钛是粉末状的二氧化钛而不是金属钛，钛的氧化物极其稳定，单质钛难以制取。直到1910年，美国化学家马修·亨特（Matthew Hunter）首次用钠还原TiCI制得纯度达99.9%的金属钛。

元素特征

钛元素符号为Ti，在化学元素周期表中位于第4周期、第IVB族。

钛单质是一种银白色的过渡金属，其密度较小、重量轻、强度高，钛的机械强度约是铁的两倍，铝的六倍。钛单质熔点较高（1668±4 ℃），耐热性良好。钛在稀硫酸、盐酸、大多数有机酸、潮湿的氯气和氯化物溶液中能稳定存在，在海水中也较难生锈，具有极强的抗腐蚀性能。钛元素在地壳中的含量排名第9，在自然界中无金属状态，通常以矿物钛铁矿或金红石存在于自然界。

在氧化还原反应中，钛通常以+2、+3或+4氧化态存在，并携带着杂原子。

钛元素的自然分布

钛元素在自然界中的分布相对广泛，虽然它不是地壳中最丰富的元素之一，但仍然以稀有金属之一的身份存在。

以下是钛元素在自然界中的分布状况的详细介绍：

地壳中的分布：钛在地壳中的丰度占第七位，占0.45%。它主要以氧化钛（TiO₂）的形式存在，其中最常见的矿石是金红石（rutile）、钛铁矿（ilmenite）和金红石型锐钛矿（anatase）。这些矿石广泛分布于地壳中，尤其是在沉积岩、火山岩和变质岩中。

岩石圈中的分布：钛也存在于地球的岩石圈中，包括地幔和地壳。在地幔中，钛的含量相对较高，但它主要以硅酸盐和氧化物的形式存在。在地壳中，钛通常以少量的氧化物存在，这对于一些地质过程和矿床形成具有重要意义。

水体中的分布：钛以微量存在于自然水体中，如河流、湖泊和海洋中。它通常以离子的形式存在，而不是单质钛。海水中的钛浓度较低，约为0.1微克/升。

土壤中的分布：钛广泛分布于土壤中，通常以氧化物的形式存在。土壤中的钛含量因地理位置和土壤类型而异，但通常是微量级别。

生物体中的分布：钛存在于几乎所有生物体中，包括植物、动物和微生物。然而，它在生物体中的浓度非常低，通常以微克或更低的级别存在。钛对生物体的生理功能尚不清楚，因为它不是生物必需元素。

钛元素在自然界中分布广泛，但通常以微量的形式存在。尽管它在地壳中相对丰富，但提取纯钛金属仍然需要复杂的冶炼过程，因为钛往往与其他元素杂质混合在一起。钛的广泛分布对于地质学、地球科学和工业应用具有重要意义。

钛的应用

钛元素具有许多重要的应用领域，主要包括：

航空航天工业：由于钛具有优异的强度、耐腐蚀性和轻量化特性，被广泛应用于航空航天领域，用于制造飞机结构、发动机零部件、航天器和卫星等。
医疗领域：由于钛具有生物相容性和抗腐蚀性，被广泛用于制造医疗器械和人工假体，如人工关节、牙科种植体等。
化工领域：钛的耐腐蚀性和化学稳定性使其成为化工设备的理想材料，用于制造反应器、储罐、管道等。
汽车工业：钛被用于制造汽车零部件，如排气管、轮毂、车架等，以提高汽车的性能和降低重量。
体育用品：由于钛的轻量化和高强度特性，被用于制造高端的体育用品，如高尔夫球杆、自行车框架等。
电子产品：钛被用于制造电子产品中的外壳、电池壳等部件，以提高产品的耐用性和外观质感。
海洋领域：在海水中，钛具有其他金属材料无法比拟的耐蚀性能，特别是耐受海水的高速冲刷腐蚀。目前，美国、日本、法国等国家都已研制出各种先进的钛制深潜器、潜艇、海底实验室装置来进行海洋研究。此外，沿海电站、海上采油设备、海水淡化、海洋化工生产、海水养殖业等都广泛采用钛制设备和装置。