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钛

Wikipedia · 2026-06-30 维基百科 👁 2 阅读

鈦（）是一種化學元素，化學符號为**'，原子序數为22，原子量為。鈦是銀白色的過渡金屬，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（包括海水、王水及氯氣）。由于其稳定的化学性质，良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度，常用來製造火箭及航天器，因此獲美誉为“太空金属”。鈦於1791年由威廉·格雷戈尔於英國康沃爾郡發現，並由馬丁·海因里希·克拉普羅特用希臘神話的泰坦為其命名。

钛被认为是一种稀有金屬，这是由于在自然界中其存在分散并难于提取。但其相对丰度在所有元素中居第十位。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。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）及三氯化鈦（TiCl3，用於催化聚丙烯的生產）

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。在非合金的狀態下，鈦的強度跟某些鋼相若，但卻還要輕45%。有兩種同素異形體和五種天然的同位素，由46Ti到50Ti，其中豐度最高的是48Ti（73.8%）。鈦的化學性質及物理性質和鋯相似，這是因為兩者的價電子數目相同，並於元素週期表中同屬一族。

特性
物理性質
在金屬元素中，鈦的比强度很高。钛的表面呈銀白色金屬光澤。然而，當鈦被加熱至430攝氏度以上時，強度會減弱。

儘管比不上高等級的熱處理鋼，钛仍具有相當的硬度。钛不具磁性，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。

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，但鈦会被热的稀硫酸、稀鹽酸和濃酸溶解。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。

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。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。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。鐵鈦礦的重要礦源主要分佈於澳洲西部、加拿大、中國、印度、莫桑比克、新西蘭、挪威及烏克蘭。在阿波羅17號任務從月球帶回的岩石中，二氧化鈦含量達12.1%

同位素
天然生成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但是氧化數+3的鈦化合物也很常見。通常，鈦在其錯合物中是八面體形分子構型，但是四氯化鈦為四面體結構，屬於特例。由于其高氧化态，+4價鈦化合物具有高度的共價性。

星彩藍寶石及紅寶石的來自於它們所含的二氧化鈦雜質並當表面需要用二氧化鈦氣相塗覆時，在工業上使用：它像純一氧化鈦一樣會蒸發，而二氧化鈦會像鈦氧化物的混合物一般，蒸發並沉澱出具有可變折射率的塗層。另外還有三氧化二鈦，為剛玉型結構，以及一氧化鈦，為岩鹽結構，不過其經常是非整比化合物。

氮化物和碳化物
氮化鈦是耐火過渡金屬氮化物的一員，且展現與其共價化合物類似的特性，包括：耐溫、超高硬度、導電導溫、高熔點。

氮化鈦（TiN）具有與藍寶石及金剛砂相當的硬度（摩氏硬度9.0），因此可作為各種切割工具的塗層，例如鑽頭。它的其他應用還包括裝飾用金色塗料及半導體器件製造中界面的擴散阻障層。

鹵化物
四氯化鈦（氯化鈦(IV)，TiCl4）是一種無色液體，也是二氧化鈦顏料製造過程的中間體。作為一種路易斯酸，四氯化鈦在有機化學反應中有廣泛應用，例如向山羥醛反應。在晶棒法中，四碘化钛（TiI4）用于生产高纯钛金属。

鈦另有一種氧化數較低的氯化物，三氯化鈦（氯化鈦(III)，TiCl3），用作合成聚烯烃的催化剂（见齐格勒-纳塔催化剂）和有机化学中的還原劑。

有機金屬化合物
二氯化二茂鈦是一種重要的碳－碳鍵形成催化劑。異丙醇鈦用於夏普萊斯不對稱環氧化反應。其他化合物還包括溴化鈦（用於冶金術、超合金及高溫用電線線路及塗層）和碳化鈦（用於高溫切割工具及塗層）其作用方式現在尚不清楚。

歷史
以希臘神話的泰坦為鈦命名]]
1791年，鈦以含鈦礦物的形式在英格蘭的康沃爾郡被發現，發現者是英格蘭業餘礦物學家格雷戈爾（Reverend William Gregor），當時正業為負責康沃爾郡的克里特（Creed）教區的牧師。意識到這種未被辨識的氧化物含有一種未被發現的金屬，格雷戈爾對及德國的《》發表了這次的發現。歷史上最早要到逾一世紀後的1910年才能製備出99.9%的純鈦，美國倫斯勒理工學院的亨特（Matthew A. Hunter）將四氯化鈦和钠一起加熱至700－800攝氏度，提煉出高純度的鈦，這種方法被稱為亨特法。八年後他改良了這個過程，當中使用鎂甚至是鈉來還原鈦，後來被稱為克羅爾法，利用這個方法可生產出少量的超純鈦。

在1950年代至60年代年間，蘇聯率先將鈦用於軍事及潛艇用途（661型潛艇、705型核潛艇、M級核潛艇），作為對冷戰的部份規劃。

在美國，國防部意識到鈦這種金屬的戰略重要性，並支持了鈦早期的商業化行動。在整個冷戰時期期間，鈦一直被美國政府視為戰略材料，內有大量海錦鈦庫存，直至2005年用盡為止。現時世界最大的鈦生產商，是俄羅斯的，據估計這家公司的全球市場佔有率達29%。

2006年美國國防部國防高等研究計劃署向兩家公司聯合撥款五百七十萬美元，研發製造鈦金屬粉末的新方法。在熱力與壓力下，這種粉末可用於製作各種強度高且重量輕的物件，從裝甲敷板到宇宙航行、運輸、化工用元件。

製備
處理鈦金屬主要分四個步驟：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（或用海綿體加一種母合金）來形成鑄錠；三、初步製造，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。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，需要氧化另一種昂貴的金屬——鎂。）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800攝氏度的氬氣中被熔鎂還原成鈦，

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。美國材料試驗協會（ASTM）承認31種鈦金屬及合金品位，其中1至4號品位在商業上屬純鈦（非合金）。這四種品位以它們不同的抗拉強度區分，也就是含氧百分比，其中1號品位韌性最佳（抗拉強度低，含氧量0.18%），4號最差（抗拉強度高，含氧量0.40%）。

美國材料試驗協會所指定的品位及其他合金，亦會按照各種規格生產，例如宇宙航行及軍事規格（SAE-AMS, MIL-T）、ISO標準、各國的特定標準以及用家所需的規格（宇宙航行、軍事、醫學及工業用）。

至於加工方面，鈦的所有焊接必需在氬或氦其中一種惰性氣體中進行，否則鈦會被空氣中的氧、氮或氫等氣體污染。鈦金屬一般可以用跟不鏽鋼一樣的機器及方法處理。

顏料、添加劑及塗料
從地球表面被開採的鈦礦石中，約95%都被送往提煉成二氧化鈦（TiO2），俗稱鈦白(粉)，一種超白的持久顏料，性質安定、無毒且覆蓋力佳，常被用於製造塗料、紙張、牙膏及塑膠，也是立可白的主要成分。二氧化鈦也被用於水泥、寶石、造紙用遮光劑

粉末狀的TiO2化學上具惰性，陽光下不褪色，而且很不透光：就是這些性質，使得它能夠為製造家用塑膠的灰色或棕色化學品帶來艷麗的純白色。

宇宙航行及航海
由於它的高抗拉強度－密度比及能夠在沒有蠕變的情況下抵受適度高溫，鈦合金被用於航空器、裝甲敷板、海軍艦隻、航天器與導彈。在引擎應用上，鈦被用於轉子、壓縮機葉片、液壓系統元件及。在航空應用的鈦合金中，鈦-6鋁-4釩佔幾乎50%。

由於不易被海水腐蝕，鈦被用於製造螺槳軸、索具及用於海水淡化廠的換熱器。

工業
化工及石油化工領域需要用到焊鈦製的管道及加工設備（換熱器、槽、加工用容器、閥），主要原因是鈦的抗腐蝕性。井內與鎳應用要用到特定的幾種合金，如鈦βC，因為需要高強度、高抗腐蝕性或兩者同時。製紙業某些會面對腐蝕性介質的生產設備會用到鈦，這些腐蝕性介質包括次氯酸鈉或濕氯氣（用於漂白）。其他應用包括：超聲波焊接、及濺鍍靶材。

四氯化鈦（TiCl4）是一種無色液體，在生產二氧化鈦的過程中的是一種重要的中間物，可用於生產齊格勒-納塔催化劑及製造鍍銥玻璃，還由於它在濕氣中會產生濃煙，所以可以用四氯化鈦來製造煙幕。一般來說，鈦金屬對普通大眾的消費市場來說太昂貴了，很難會有銷路，所以它的主要市場是高檔產品，尤其是競賽用／高性能市場。最新款的Corvette跑車可選配鈦製排氣系統。

的外牆鈦壁板]]

鈦被用於各種體育用品：網球拍、高爾夫球杆桿頭、袋棍球棒手柄；板球、曲棍球、袋棍球及美式足球的頭盔上的護架；以及自行車的骨架及元件。儘管鈦並不是自行車生產的主流材料，但仍有運動選手及自行車冒險愛好者使用鈦製的自行車。鈦合金亦被用於製造眼鏡框架，雖然這種鏡框會有點昂貴，但是它重量輕又很經久耐用，而且不會造成皮膚敏感。許多野外背包客都有鈦製的裝備，包括煮食用具、餐具、提燈及帳蓬的標樁，選用鈦的原因是因為它吸引的顏色以及跟火箭技術的關連。西班牙的畢爾包古根漢美術館及美國喜瑞都的千禧圖書館分別是歐洲和北美最早使用鈦壁板護層的建築。其他使用鈦壁板護層的建築還有位於美國科羅拉多州丹佛藝術博物館的漢密頓樓，及位於莫斯科高107米的征服太空紀念碑。

比起槍支傳統上用的金屬（鋼、不鏽鋼及鋁），鈦的強度低質量較為優勝，加上在金屬製造上的發展，用鈦來製造槍支開始變得普遍。主要用途包括手槍支架及左輪手槍的轉輪。基於同樣的理由，筆記本電腦的主體也會用到鈦（例如蘋果的PowerBook系列）。而2017年推出的智能手機Essential Phone將鈦合金作為手機邊框，是首部由鈦合金所組成機身的手機。

珠寶
由於其耐久性，鈦已成為更受設計師歡迎的珠寶（尤其是鈦戒指）

鈦的耐久度、較輕的重量、耐凹性以及耐蝕性使其很適合作為錶殼的材料。

鈦可經陽極氧化以改變表面氧化物的厚度，從而產生光學干涉條紋和各種鮮豔的顏色。由於這種著色和低活性，鈦常被用作身體部位穿環。

鈦在製造非流通硬幣和獎牌上用途較少。 於1999年，直布羅陀在千禧年慶典發布了世界上第一個鈦幣。澳大利亞橄欖球聯盟的黃金海岸泰坦隊（Gold Coast Titans）為他們的年度最佳球員頒發了純鈦獎牌。

醫學
骨折的斷骨]]
由於它的生物相容性（無毒及不被人體排斥），鈦在醫學上有廣泛應用，當中包括外科用具及植入物，例如替換髖骨框及球關節，最長可用20年或6%鋁加4%釩製成合金。

鈦有一種固有的特性，活性生骨細胞會直接在鈦金屬表面上沉積鈣化為新生骨組織，最後會如同樹根與土壤一般結合得極為牢固，使得鈦製的牙科植入物能在原位上逗留50年之久。這種特性對而言亦相當有用。

由於鈦不具鐵磁性，有鈦植入物的病人能安全地接受核磁共振成像的檢查（這對有長期植入物的人士來說是很方便的）。準備植入人體的鈦要經過等離子弧的高溫加熱，移除表面原子，新露出的表面隨即被氧化鈦「滴水罩」也可以安裝在其他類型的容器上，以延長其使用壽命。

生物修復
「硬柄小皮傘」、「橙黃褐任傘」這兩種真菌可以把鈦污染泥土中之鈦金屬進行生物轉換。

危害
的含鈦量最高可達百萬分之八十]]
鈦沒有毒性，即使大劑量時也是如此，鈦在人體中不會發生任何自然作用。水及二氧化碳類的滅火法對燃燒中的鈦無效；必須改為使用D類乾粉滅火劑。即使是濕氯氣也是火災隱患，因為在異常的天氣狀況下濕氯氣可能會意外地變乾。

鈦未經氧化的新表面與液態氧接觸後可能會起火。

参考資料
参考書目
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外部連結
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[http://web.archive.org/web//http://www.popsci.com/popsci/how20/85f145ef7d2f6110vgnvcm1000004eecbccdrcrd.html archive-web],[https://archive.today/http://www.popsci.com/popsci/how20/85f145ef7d2f6110vgnvcm1000004eecbccdrcrd.html archive-is]

*http://baike.asianmetal.cn/metal/ti/application.shtml

#第4周期元素 #过渡金属 #钛 #化學元素

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