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上天入海,“钛”不简单!

2024-04-22299

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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。




01

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)S次用钠还原TiCI制得纯度达99.9%的金属钛。



02

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。




03

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Z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:
  1. 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(TiO?)的形式存在,其中Z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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。


04

钛的应用



钛元素具有许多重要的应用领域,主要包括:
  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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。

  7. 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。





05

钛元素的检测方法



钛元素检测方法有多种,其中Z常用的一种检测方法为X射线荧光光谱法(XRF)。
XRF是一种非破坏性的分析方法,适用于固体和液体样品中的钛含量测定。该方法通过照射样品表面产生的X射线,测量样品中荧光光谱的特征峰强度来确定其中的元素含量。XRF具有速度快、操作简便的优点,并且能够同时测定多个元素。







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